4.11 Số phận của hố đen: các giai đoạn—ngưỡng—kết cục

Trang chủ ／ Chương 4: Hố đen

Hố đen không phải là một “vỏ đen” bất biến. Chúng có lịch sử sống: khi còn dồi dào vật liệu, chúng “làm việc” dữ dội; sau đó bước vào một thời kỳ dài do suy giảm nguồn cấp và rò rỉ chi phối. Cuối cùng, hệ vượt qua một ngưỡng rõ rệt—ranh giới tới hạn bên ngoài lùi lại như một tổng thể—và tiến tới hai kiểu kết cục khác nhau: trở về nhân (vật thể sao siêu đặc không có chân trời sự kiện) hoặc thể súp đậm đặc (cấu tập sợi đậm đặc không có chân trời, được dẫn dắt bởi lực kéo thống kê).

I. Các giai đoạn: từ hoạt động do nguồn cấp đến giai đoạn rò rỉ chi phối

Giai đoạn nguồn cấp hoạt động: thời kỳ làm việc mạnh

• Cận nhân: Ranh giới tới hạn bên ngoài đàn hồi nhưng nhìn chung ổn định; “pít-tông” ở vùng chuyển tiếp làm việc thường xuyên; lõi trong cuộn sôi với cắt trượt và tái nối dày đặc.
• Ngõ thoát năng lượng: Ba con đường cùng tồn tại và luân phiên giữ vai trò chủ đạo. Khi spin và hình học thuận lợi, đục xuyên theo trục (tia phản lực) bền lâu và giàu năng lượng. Khi mô-men động lượng nhập thiên về mặt đĩa, dải rìa dưới tới hạn (gió đĩa và tái xử lý) mạnh lên. Khi nền nhiễu cao và nhiễu ngoại lai xảy ra thường xuyên, các lỗ rò thoáng qua xuất hiện theo mảng, tạo rò rỉ chậm.
• Đặc trưng quan sát: Vòng chính ổn định, các vòng phụ có thể thấy; trên vòng thường tồn tại một múi sáng lâu dài. Phân cực thể hiện những xoắn trơn xen các dải đảo hướng. Trên trục thời gian, thường thấy các bậc thềm chung đồng bộ sau khử tản sắc và các chuỗi dội âm theo cụm.

Giai đoạn rò rỉ chi phối: thời kỳ rút chậm

• Cận nhân: Nguồn cấp bên ngoài giảm. Lõi trong vẫn “sôi”, nhưng ngân sách độ căng bị tiêu hao dần bởi rò rỉ; mức ngưỡng trung bình của ranh giới ngoài hạ chậm; biên độ “hô hấp” thu hẹp; vùng chuyển tiếp hoạt động như bộ giảm chấn hơn là động cơ.
• Ngõ thoát năng lượng: Đục xuyên theo trục khó tự duy trì; vận chuyển theo dải rìa trở thành chủ lực. Lỗ rò thoáng qua vẫn tồn tại nhưng gánh phần xả nền biên độ thấp, kéo dài.
• Đặc trưng quan sát: Vòng nói chung tối và mỏng hơn; vòng phụ khó “thắp sáng”; phân cực còn xoắn trơn nhưng số dải đảo giảm; biên độ bậc thềm chung nhỏ đi; phong bì dội âm kéo dài và nông hơn.

Chuyển pha không phải một cú bật tắt; đó là sự dịch chuyển thống kê của trọng tâm: con đường nào “dễ hơn” sẽ gánh nhiều việc hơn.

II. Ngưỡng: khử tới hạn (ranh giới bên ngoài lùi lại như một tổng thể)

Tiêu chí xác định

• Hết ngưỡng quanh trọn vòng: Ở đa số vị trí trên vòng, “yêu cầu tối thiểu” theo hướng ra ngoài không còn vượt “giới hạn cho phép” tại chỗ; trạng thái này kéo dài lâu hơn cả thời gian phục hồi của lớp vỏ và thời gian ghi nhớ của vùng chuyển tiếp.
• Mất điều khiển toàn cục: Khi sự kiện mạnh lặp lại, bậc thềm chung “gần đồng cửa sổ” sau khử tản sắc không còn xuất hiện; bề rộng vòng không còn phồng–hồi nhẹ theo cặp khi có sự kiện.
• Tan rã tích lũy hình học: Ảnh cận nhân không còn cho thấy vòng chính ổn định cùng họ vòng phụ lặp lại; “bộ khuếch đại hình học” do đường đi vòng lại mất tác dụng.

Vì sao xảy ra vượt ngưỡng

• Cạn ngân sách: Rò rỉ kéo dài cộng với suy cấp làm ngân sách độ căng tụt dưới mức cần để duy trì ranh giới tới hạn bên ngoài.
• Cùn hình học: Độ dài liên kết cắt trượt trong vùng chuyển tiếp ngắn lại; các dải khó nối thành hành lang điện trở thấp bền; phản ứng đồng bộ của lớp vỏ trước sự kiện mạnh biến mất.
• Mất thiên lệch trục: Spin yếu đi hoặc đổi hướng; “lối tắt tự nhiên” dọc trục không còn nổi bật, khiến đục xuyên bền lâu khó duy trì.

Tín hiệu thoáng qua khi vượt ngưỡng

• Ảnh và phân cực: Vòng chính nhạt và mờ, vòng phụ biến mất; hoa văn phân cực chuyển từ “có tổ chức” sang “ít trật tự”. Bậc thềm chung vắng bóng, chỉ còn các trôi chậm theo từng băng tần.
• Không có bật lại nếu thiếu cấp mới: Nếu không có nguồn cấp mạnh, tươi mới bổ sung, các đặc trưng này không phục hồi.

III. Kết cục một: trở về nhân (vật thể sao siêu đặc không có chân trời sự kiện)

Điều kiện

• Ranh giới trong co lại: Sau khi ranh giới ngoài rút lui, vùng tới hạn bên trong tiếp tục tiến sâu vào; độ căng của lõi giảm đủ để cuộn quấn ổn định tự duy trì lâu dài.
• Tạo nhân chiếm ưu: Sợi dễ khép thành vòng ổn định; sự kiện phá cấu trúc giảm mạnh; tỷ lệ hạt mang tải bất ổn hạ xuống dưới mức duy trì được nền nhiễu mạnh.
• Tái thiết hình học: Cận nhân hình thành phân cấp “lõi cứng–vỏ mềm”: trung tâm trở thành cấu trúc chịu tải, ổn định, siêu đặc, bọc ngoài là áo sợi mỏng.

Đặc trưng quan sát

• Mặt phẳng ảnh: Không còn vòng chính ổn định và vòng phụ; thay vào đó là đốm sáng đặc ở tâm hoặc vòng nhỏ, sáng (nằm sâu hơn, không do tích lũy đường quay lại). Mép ngoài thiếu múi sáng bền.
• Phân cực: Độ phân cực trung bình; góc phương vị ổn định lâu hơn; dải đảo thưa. Hướng tổng thể phản ánh hình học trường cận nhân vững.
• Thời gian: Không còn bậc thềm chung do điều khiển toàn cục; biến thiên chủ yếu là chớp ngắn ở bề mặt/ cận bề mặt; dội âm giống “dội bề mặt” hơn là “dội lớp vỏ”.
• Phổ: Tái xử lý mỏng; liên đới cứng–mềm trực tiếp hơn. Nếu có khối rơi vào, sẽ xuất hiện hậu quang kiểu dội thay vì bậc thềm kiểu tới hạn.
• Môi trường: Tia phản lực hầu như tắt; đôi khi còn dòng thoát từ hóa yếu, ổn định, công suất thấp, độ chuẩn trực kém.

Hàm nghĩa vật lý
“Trở về nhân” không quay lại dạng sao thường; đó là vật thể sao siêu đặc không có chân trời sự kiện: một “khung cứng” gồm các cuộn quấn ổn định dẫn hướng và chịu tải; trao đổi năng lượng chủ yếu qua bề mặt và cận bề mặt, không còn dựa vào điều khiển bởi lớp vỏ.

IV. Kết cục hai: thể súp đậm đặc (vật thể không có chân trời do lực kéo thống kê chi phối)

Điều kiện

• Ranh giới ngoài rút, ranh giới trong chưa đủ sâu: Độ căng không đủ để duy trì chân trời, nhưng vẫn ức chế được việc tự duy trì lâu dài của các cuộn quấn ổn định quy mô lớn.
• Bất ổn là bình thường: Vòng quấn đoản mệnh liên tục sinh–hủy; sự phá vỡ gieo nhiễu nền, duy trì một “súp” đậm đặc.
• Lực kéo thống kê chi phối: Không có bề mặt vật chất cứng; chồng chập của nhiều lực kéo đoản mệnh tạo nên thiên lệch độ căng trơn nhẵn nhưng sâu, dẫn dắt động học.

Đặc trưng quan sát

• Mặt phẳng ảnh: Không có vòng chính ổn định; vùng hạt nhân hiện quầng rỗng sáng yếu, thường thiếu hạt nhân sáng rõ; độ sáng tập trung ở vỏ tái xử lý ngoài, kèm ánh khuếch tán và dòng thoát mờ.
• Phân cực: Độ phân cực thấp–trung bình; góc phương vị đoạn khúc, đứt quãng; dải đảo ngắn và lẫn lộn—kém trật tự hơn so với “trở về nhân”.
• Thời gian: Không có bậc thềm chung; trên nền nhô chậm và hậu quang dài là chớp nhỏ, dày do nhiễu nền.
• Phổ: Phổ dày trội thế, tái xử lý mạnh; vạch phổ yếu, vạch chuẩn đoán plasma thưa; từ hồng ngoại đến cận milimét hiện bệ rộng tương phản thấp.
• Môi trường/động lực học: Gió góc mở lớn, cấu trúc dạng bong bóng và vỏ khí nóng nổi bật; tỷ số khối lượng/độ sáng cao; thấu kính hấp dẫn yếu/mạnh và quỹ đạo lân cận đều chỉ thị giếng thế sâu nhưng ánh sáng ít.

Hàm nghĩa vật lý
Trạng thái này là một cấu tập sợi đậm đặc không có chân trời sự kiện: cuộn quấn ổn định khó tồn tại lâu; hạt mang tải thưa và bất ổn; bức xạ kết hợp khó tổ chức. Trao đổi năng lượng trải rộng và tái xử lý mạnh. Kết quả là “tối nhưng nặng”: nhìn gần hạt nhân trống trải, nhưng ra bên ngoài vẫn bộc lộ trọng lực mạnh—hình hài tự nhiên của một hệ do lực kéo thống kê chi phối và thiếu lõi cứng.

V. Viễn cảnh vũ trụ: trật tự điển hình trong nền lạnh vắng

1. Nguồn cấp rồi sẽ cạn: Khi vũ trụ nguội dần và loãng ra theo thời gian dài, vật liệu tươi và nhiễu ngoại lai mạnh ngày càng hiếm; rò rỉ nắm quyền.
2. Nhỏ “đi trước”, lớn “đi sau”: Vật thể nhỏ có lộ trình ngắn, lớp vỏ nhẹ, vùng chuyển tiếp mỏng nên khử tới hạn sớm; vật thể lớn có lộ trình dài, lớp vỏ nặng, vùng chuyển tiếp dày nên trụ vững lâu.
3. Ưa phân nhánh:
   • Nghiêng về trở về nhân: Những cá thể có độ căng giảm sâu, cấu trúc–định hướng ổn định, và nền hạt bất ổn suy tàn nhanh sẽ dễ trở về nhân.
   • Nghiêng về thể súp: Những cá thể có mức giảm độ căng hạn chế, sinh bất ổn còn sôi động, và cắt trượt rìa kéo dài sẽ dễ dừng ở thể súp đậm đặc.
4. Tiến hóa quần thể: Nhóm hỏa lực tia phản lực mạnh thời kỳ đầu tắt tia trước, chuyển sang vận chuyển dải rìa và rò rỉ chậm. Về sau, quần thể tách thành thiểu số trở về nhân và đa số thể súp đậm đặc. Cả hai đều không còn điều khiển cấp chân trời.

Đây không phải lịch thời gian cho một nguồn cụ thể mà là trật tự xác suất: trong một vũ trụ lạnh và vắng, khử tới hạn gần như không thể tránh; còn sau đó đi về phía nào tùy thuộc ngân sách độ căng còn lại, mức co của ranh giới trong, và liệu nền nhiễu từ hạt bất ổn có bị đè nén được hay không.